基于单片机的语音播报器的设计

基于单片机的语音播报器的设计 河北经贸大学毕业论文 摘 要 现代社会人们工作日程繁多紧凑，随着生活节奏的加快，合理的安排时间和遵守时间是每个人的愿望，本文介绍的智能记事器，采用语音播报，随着语音芯片的普及，语音报播被广泛应用于车站报站器，语音型数字万用，出租车语音报站器，排队机等。可快速直观的给人们提醒工作日程，将成为人们生活中的有力助手。 本文提出了基于AT89C51 单片机的语音播报器的设计。方案以单片机作为系统的控制核心，详细介绍了ISD 公司生产的ISD2560 语音芯片的优点及其使用方法。并且给出了用AT89C51 与ISD2560 构成的语音系统的硬件原图和软件设计方法。采用ISD 单片语音录音/放音集成电路系列中的ISD2560 实现了语音的存储和播放，使语音音质自然真实。ISD2560 不需要A/D 和D/A 转换，并且集成度高，能实现复杂的信息处理功能，真实的再现语音。实现了当按下开始键，启动录音，松开开始键，结束录音。结束录音后，循环播放所录音的基本功能。并且录放系统具有电路简明、应用方便、单片录放、不怕掉电、音色纯正、性价比高等特性。 关键词 电气信息;单片机;语音芯片;ISD2560 I 河北经贸大学毕业论文 Abstract Modern social compact many people work schedule, with the pace of life speeds up, reasonable arrangements to comply with the time and the time is everyone's aspirations.This paper introduces the intelligent accounts regulator, with speech broadcast, with the popularization of pronunciation chip, voice newspaper has been widely used in the station broadcast stops device, voice type digital multimeter, taxi voice stops PaiDuiJi ware, etc. The paper introduced a smart notepad, a voice broadcast, fast intuitive to remind people work schedule, people living in a strong assistant. In this paper a design program of voice broadcast device based on AT89C51 microcontroller is introduced in this paper. Single-chip microcomputer is the core of control system.This paper introduces the PIN function,operating model and using method of ISD2560 voice chip.Putting forword the hard structure and soft design method of the voice system consisted of AT89C51 and ISD2560. The use of single-chip voice recording ISD / playback IC ISD2560 series achieve voice storage and playback, and the voice is true ,natural ,quality. We achieve the basic function that when the start button is pressed , the device start to record and when the start button is releasd ,the device finish recording. Then broadcast what it record loop three times. And recording system has circuit concise and easy application, monolithic recording, not afraid off electricity, tone, pure, high performance-to-price characteristics. Keywords Electrical Information;single-chip;voice chip; ISD2560 II 河北经贸大学毕业论文 目 录 1 绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 本课题的目的与意义 ................................................................................. 1 1.2 本课题在国内外研究概况及存在问题 ...................................................... 1 1.3 本课题研究内容 ......................................................................................... 2 1.4 本设计的主要任务要求 ............................................................................. 3 2 系统设计方案 ....................................................................................................... 4 2.1 总体设计方案............................................................................................. 4 2.2 语音芯片的选择 ......................................................................................... 4 3 硬件电路设计 ....................................................................................................... 6 3.1 protel 99 se介绍 ......................................................................................... 6 3.2 电源电路设计............................................................................................. 7 3.3 主机电路设计............................................................................................. 7 3.3.1 AT89S51的特点.............................................................................. 7 3.3.2 AT89S51的引脚介绍 ...................................................................... 8 3.3.3 时钟电路 ....................................................................................... 10 3.4 语音芯片ISD2560及应用 ....................................................................... 10 3.4.1 语音芯片ISD2560简介 ................................................................ 10 3.4.2 ISD2560引脚功能及内部结构...................................................... 11 3.4.3 ISD2560的语音播放电路 ............................................................. 13 4 软件设计 ............................................................................................................. 17 4.1 AT89C51单片机定时器/控制器控制 ...................................................... 17 4.1.1 工作模式寄存器TOMD................................................................ 17 4.1.2 控制寄存器TCON ........................................................................ 18 4.2 ISD2560录放音软件设计 ........................................................................ 18 4.2.1 ISD2560操作模式 ......................................................................... 19 4.2.2 分段录放音 .................................................................................... 19 4.3 keil C51介绍及其程序说明 ..................................................................... 24 4.3.1 keilC51介绍 .................................................................................. 24 I 河北经贸大学毕业论文 5 结 论................................................................................................................... 26 致 谢................................................................................................................... 27 附 录................................................................................................................... 28 参考文献................................................................................................................... 31 II 河北经贸大学毕业论文 基于单片机的语音播报器的设计 1 绪论 1.1 本课题的目的与意义 随着语音芯片的普及，语音播报被广泛应用于车站、医院等公共场所，并且面向家庭个人使用的方向发展。语音播报记事器准确、快速的性能将为人们提过更加便利的生活。本文采用AT89S51单片机为微处理器研制了语音播报记事器。该系统操作简单，方便，可随时调节时间，制定时间播报。总之，语音播报记事器各性能指标良好，在平时使用中，能够显示时间日期，并对约会进行提醒。这将在今后语音播报中起重要影响作用。随着时代的发展与进步，人们的生活节奏越来越快，竞争也日趋激烈。因此，合理的安排时间，遵守时间，准时上课、上班、赴约、到会、洽谈等是每个人的愿望。但是，往往稍一疏忽又无人提醒，造成迟到或其他事件，甚至产生了严重的后果和经济损失。此时，若有一台智能语音记事器，将各种约定时间记录下来，按时进行语音提醒，就可以避免迟到、缺席事件的产生。也会给我们的工作和学习带来极大的方便。 1.2 本课题在国内外研究概况及存在问题 从目前语音技术的研究现状来讲，技术已经有了很大发展。语音识别和语音合成技术是实现人机语音通信及建立一个有听和讲能力的口语系统所必需的两项关键技术。使电脑具有类似于人一样的说话和听懂人说话的能力。 在国外语音识别技术主要包含几个方面:语音控制、电子发声、连续语音识别、非连续语音识别和语音学习。目前主要是在支持中英文，实现中英文混合识别问题上，存在一些障碍。同时在识别大量词汇和个别发音方面还很难做到准确。作为语音识别技术新方向的语音学习，它则要求人模仿发音，其面临的困难是如何衡量人模仿的好坏。 语音合成技术是计算机“开口说话”的关键，现阶段语音合成的最大进展是已经能够实时地将任意文本转换成连续可懂的自然语句输出，相应技术通常称为文语合成或者文语转换(TTS)。TTS使得数据通信和语音通信在终端一级实现交 1 河北经贸大学毕业论文 融，人们将有望在获取Interne信息时，使短消息服务、电子邮件等多数以文本方式提供的信息也用语音的方式输出。语音合成的主要功能是:根据韵律建模的结果，从原始语音库中取出相应的语音基元，利用特定的语音合成技术对语音基元进行韵律特性的调整和修改，最终合成出符合要求的语音。 一旦人机对话的问题得到解决，语音技术将更多的应用到基础教学中，尤其是英语的教学，在教学中语言环境的问题也就迎刃而解。更重要的是，与之相伴的必然是巨大的市场毫无疑问，语音技术一定会是未来人类关注的焦点。 随着人们日常生活的提高，智能语音已逐渐进人家庭。通过语音在远端实时的控制家用电器的操作，具有简洁、方便、高效的特点。用荷兰PHILIPHS公司生产的工业级嵌人式微处理器做为电话远程控制器的核心部件具有事半功倍的，现有的GIS技术已经表现出很多弊端，其中之一就是不利于信息共享。了一些空间数据规范(GML等)，但都只限于语法角度和信息层次，而当今应用软件中真正需要的是语义共享口为此，论文提出了基于本体论的地理信息系统体系结构，据此给出了解决空间信息语义共享的可行解决方案。同时，OWL语言规范的提出，也为地理本体论的发展提供了标准化的语义支持。但是，由于语义搜索和拓扑的复杂性，本实现的运行效率实在很低。在测试中，仅仅用到了中国的大城市地理信息集，就使得搜索速度非常慢但我相信OGIS将是地理信息系统的发展方向，以后随着各项相关技术的不断发展，其应用前景将非常广阔。 1.3 本课题研究内容 这次的研究主要是设计一个语音播报器，包含有对预先设定的时间的报时，和当前时间的设定调整，在报时的同时有对当前时间的显示，也就是有LCD显示屏，此外还应该有麦克风的输入就是对模拟信号的处理和储存，然后在一定的条件下能够完整地播放出来，实现语音地录制和回放功能，在不同地场合能够很轻松便捷地改动和增加新地功能，所以这次设计目的是一个很开放型地课题。他可以实现很多地功能，比如说我们日常地起始和提示功能还有普通地闹钟和录音模式，在不同领域有着不同地用途，在学校里我们可以设置一定地时间来打铃或是播放音乐。也可以在我们正常的生活中安排一定的较长时间的活动和节目，在我们设定的时间到时就会提醒我们去做。随着现代科技的不断发展和创新我们的语音功能时不再能够很好的完成我们的需要和日常的交际了，生活节奏的体快使得我们很容易忘记我们的生活规律和安排，可能在一定的时候会影响到我们的前 2 河北经贸大学毕业论文 途，所以有个很好的语音播报已经不再时什么新鲜的事情了，尤其时在一些大的公司或是企业的管理层次那更是不可缺少的以部分。由此可见语音播报技术在今后会有更为广阔的应用空间，正是因为语音存储与语音播报技术有着很大的市场需求，所以现在对它的研究具有极高的应用价值。 1.4 本设计的主要任务要求 根据设计要求，提出基于单片机的语音拨播器的硬件电路设计方案，并应用Protel软件完成硬件电路原理图设计。通过对单片机的编程开发可实现语音的录放等基本功能。具体包括如下几个部分: (1)学习单片机的工作原理，并应用Protel软件设计出单片机的最小系统和语音系统的控制电路，使其能可靠工作。 (2)学习有关语音方面的相关知识，拟采用集成语音芯片来实现语音的录放的功能。要求掌握该芯片的工作原理，完成其外围电路和与单片机的接口电路，包括话筒和扬声器的电路设计。 (3)学习C程序设计语言，对单片机进行编程开发。并完成仿真和调试，实现语音拨播器的基本功能。 3 河北经贸大学毕业论文 2 系统设计方案 2.1 总体设计方案 为了实现语音播报所需的功能，即按下开始键，启动录音，松开开始键，结束录音。结束录音后，循环播放所录音。而且为了使语音播报器的音质好，功能强，实验运行效果较好，使用起来也很简单。所以本设计采用的设计框图如图2.1所示: 扬声 器 按键 语音芯片 单 片机 话筒 图2.1 总体设计方案图 由上面的框图可知:本设计框图包括，按键，单片机，语音芯片，话筒和扬声器。其中单片机为本设计的控制核心，它控制语音芯片，实现对声音的存储和播放。语音芯片实现对语音的录入和播放。 2.2 语音芯片的选择 目前市场流行的语音芯片有很多，从性价比的角度来考虑，美国ISD 公司的ISD 系列语音芯片可谓是一只独秀。ISD 系列语音芯片具有以下优点: (1)采用模拟量数据存储在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟量数据直接写入单个存储单元，不需要经过A/D，D/A 转换。 (2)内部集成了大容量的的EEPROM，不再需要扩展存储器。 4 河北经贸大学毕业论文 (3)控制简单，控制引脚与TTL 电平兼容。 (4)集成度高，使用方便。 (5)能较好的真时再现语音的自然效果，避免了一搬固体语音电路的因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象。 因此，选ISD公司的语音芯片ISD2560。ISD2560是ISD公司的生产的语音录入和重放的芯ISD2560系列之一，ISD2560系列芯片包括ISD2560、ISD2575、ISD2590和ISD52150共四种，他们的主要区别在于存储语音的时间的长度，ISD2560的录音时间的长度为60s，ISD2570的录音时间的长度是75s，ISD2590的录音时间的长度是90s，而ISD25120的录音时间长度是120s。ISD2560采用多电平直接模拟量存储的专利技术，每个采样值可以直接存储在片内每个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、语调和效果声，从而避免了一般的固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声，该器件的采用频率为8kHz，录音时间就越长，但是通频带和音质会有所降低。 ISD2560省去了A/D和D/A的转换器，集成度较高，内部包括前置放大电路、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和48Kbde EEPROM。ISD2560内部的结构和EEPRO存储单元均匀的分配为600行，有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100ms。此外ISD2560还具备微控制器所需要的控制接口。通过操作地址和控制线可以完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息的管理等。ISD2560可以不分段，也可以按最小段长为单位来任意组合和分段。 5 河北经贸大学毕业论文 3 硬件电路设计 3.1 Protel 99 se介绍 Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB(印制电路板)设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。 Protel 99 se就是由早期Protel版本发展而来的基于windows95/98/2000环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电原理图设计，印制电路板设计，无网络布线器，可编辑逻辑器件设计，电路图模拟、仿真等，它集成电路设计与开发环境于一体化。 利用Protel进行电路设计需要三个步骤如图3.1: 一(绘制原理图 二(产生网络表 三(完成PCB(印刷电路 板)绘制 图3.1 protel设计电路步骤图 本设计利用Protel软件画的硬件电路图主要有单片机AT89C51的最小系统和语音芯片ISD2560电路及它们的接口电路。 6 河北经贸大学毕业论文 3.2 电源电路设计 电源电路设计图如图3.2: 20VSS C4 40VCC AT89C510.1uf VCC 89C51 图3.2 电源电路设计图 在电源引脚并联一个0.1uf的小电容目的是滤波，引入滤波电容的原因是要获得平滑稳定的电压，因为电容两端的电压不能突变，所以它能抑制电压的波动，使电压变得平稳光滑主要作用有两个:1.去除器件之间的交流射频耦合。它能将器件的电源端上瞬间的尖峰、毛刺对地短路掉。2.去耦:也叫退耦。 3.3 主机电路设计 主机采用AT89S51单片机来实现。单片机是将中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 3.3.1 AT89S51的特点 AT89S51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、高性能8位单片机，与MCS-51单片机兼容，其功能特点为: (1)4K字节闪烁存储器(FLASH)，可进行1000次写、擦除操作。 (2)静态操作，外接OHZ-24MHZ晶振。 (3)三层程序存储器。 (4)256字节内部数据存储器(RAM)。 (5)32根可编程输入/输出线。 7 河北经贸大学毕业论文 (6)两个6位定时/计数器。 (7)六个中断源。 (8)一个可编程串口。 (9)支持低功耗模式和掉电模式。 3.3.2 AT89S51的引脚介绍 AT89S51引脚排列如图3.3所示，各引脚的功能如下: 图3.3 AT89S51引脚排列图 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0:P0为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写l时，被定义为高阻输入。P0够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0出原码，此时P0部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部 8 河北经贸大学毕业论文 下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下为管脚的备选功能: P3.0 RXD(串行输入口); P3.1 TXD(串行输出口); P3.2 /INTO(外部中断0); P3.3 /INT1(外部中断1); P3.4 T0(记时器0外部输入); P3.5 T1(记时器1外部输入); P3.6 /WR(外部数据存储器写选通); P3.7 /RD(外部数据存储器读选通); P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 9 河北经贸大学毕业论文 3.3.3 时钟电路 时钟电路图设计如图3.4: 图3.4 内部时钟电路图 AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3.4所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2,12MHz之间选择，电容值在5,30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。 外部方式的时钟电路，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。 片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用，本系统采用的是6M的晶振。 3.4 语音芯片ISD2560及应用 3.4.1 语音芯片ISD2560简介 ISD语音芯片是美国信息存储器件公司推出的高品质语音录放芯片，采用ISD公司独有的直接模拟存储技术(DAST)，该技术的采用使得音频信息无需经过传统形式的A/D，D/A转换即可实现存取，有比同等数字存取更高的集成度和更高的音质水平。ISD语音芯片具有抗断电功能，信息存放不易挥发，支持多次录/放操作，寿命高达10次，可单独应用、多片级联，也可与微处理器配合使用，具有很好的使用灵活性。ISD可广泛应用于工业控制、智能仪表、警报、信息提示等场合， 10 河北经贸大学毕业论文 使信息交互人性化。本文对ISD2560系列芯片做介绍，并给出了ISD2560的应用实例，此装置取得了很好的使用效果。 在众多的语音集成电路中，ISD 系列单片语音录放电路以其优异的性能在市场上独领风骚，ISD系列产品采用基EEPROM浮栅技术的模拟量存储技术，具有重放音质好、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗、抗断电等特性，尤其是随意时间长短的分段录/ 放音的性能，为实际使用提供了灵活性，ISD 系列中的ISD2560 芯片，内480KB的EEPROM，录放音时间长达60秒，分段录音可达600 段。目前，电脑语音服务的应用范围越来越广，如电脑语音钟、语音型数字万用表、手机话费查询系统以及公共汽车报站器等。而Winbond公司生产的ISD2500系列语音芯片是具有较强功能的一种电脑语音录放器件，它能够应用在很多需要语音服务的场合。AT89S51是ATMEL公司生产的性能良好、价格便宜的单片机。 3.4.2 ISD2560引脚功能及内部结构 ISD2560引脚功能如图3.5所示。 A0/M01128VCCD A1/M1227P/R A2/M2326XCLK A3/M3425/EOM A4/M4524PD A5/M5623/CEISD2560 A6/M67ISD526022/OVF A7821ANAOUT A8920ANA IN A91019AGC AUX IN1118MIC REF VSSD1217MIC VSSA1316VCCA图3.5 ISD2560芯片引脚 SP+1415SP-各引脚的主要功能如下 电源(VCCA，VCCD):为了最大限度的减小噪声，芯片内部的模拟和数 11 河北经贸大学毕业论文 字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上。模拟和数字电源端最好分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容则应尽量靠近芯片。 地线(VSSA，VSSD):由于芯片内部使用不同的模拟和数字地线，因此，这两脚最好通过低阻抗通路连接到地。 节电控制(PD):该端拉高可使芯片停止工作而进入节电状态。当芯片发生溢出即OVF端输出低电平后，应将本端短暂变高以复位芯片;另外，PD端在模式6下还有特殊的用途。 片选(CE) :该端变低且PD也为低电平时，允许进行录、放操作。芯片在该端的下降沿将锁存地址线和P/R端的状态;另外，它在模式6中也有特殊的意义。 录放模式(P/R):该端状态一般在CE的下降沿锁存。高电平选择放音，低电平选择录音。录音时，由地址端提供起始地址，直到录音持续到CE或PD变高，或内存溢出;如果是前一种情况，芯片将自动在录音结束处写入EOM标志。放音时，由地址端提供起始地址，放音持续到EOM标志。如果CE一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音则会忽略EOM而继续进行下去，直到发生溢出为止。 信息结尾标志(EOM):EOM标志在录音时由芯片自动插入到该信息段的结尾。当放音遇到EOM时，该端输出低电平脉冲。另外，ISD5260芯片内部会自动电源电压以维护信息的完整性，当电压低于3.5v时，该端变低，此时芯片只能放音。在模式状态下，可用来驱动LED，以指示芯片当前的工作状态。 溢出标志(OVF):芯片处于存储空间末尾时，该端输出低电平脉冲以表示溢出，之后该端状态跟随CE端的状态，直到PD端变高。此外，该端还可用于级联多个语音芯片来延长放音时间。 话筒输入(MIC):该端连至片内前置放大器。片内自动增益控制电路(AGC)可将增益控制在-15,24db。外接话筒应通过串联电容耦合到该端。耦合电容值和该端的10kΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。 话筒参考(MIC REF):该端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，并提高共模抑制比。 自动增益控制(AGC):AGC可动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，这样在录制变化很大的音量(从耳语到喧嚣声)时就能保持最小失真。响应时间取决于该端内置的5kΩ电阻和从该端到VSSA端所接电容的时间常数。释放时间则取决于该端外接的并联对地电容和电阻设定的时间常数。选用标称值 12 河北经贸大学毕业论文 分别为470KΩ和4.7μf的电阻、电容可以得到满意的效果。 模拟输出(ANA OUT):前置放大器输出。其前置电压增益取决于AGC端电平。 模拟输入(ANA IN):该端为芯片录音信号输入。对话筒输入来说，ANA OUT端应通过外接电容连至该端，该电容和本端的3kΩ输入阻抗决定了芯片频带的附加低端截止频率。其它音源可通过交流耦合直接连至该端。 扬声器输出(SP+、SP-):可驱动16Ω以上的喇叭，内存放音时功率为12.2mw。 辅助输入(AUX IN):放音时功率为50mW。单端输出时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出则不用电容就能将功率提高至4倍。当CE和P/R为高，不进行放音或处入放音溢出状态时该端的输入信号将通过内部功放驱动喇叭输出端。当多个DS2560芯片级联时后级的喇叭输出将通过该端连接到本级的输出放大器。为防止噪声建议在存放内存信息时，该端不要有驱动信号。 外部时钟(XCLK):该端内部有下拉元件，不用时应接地。 地址,模式输入(AX/MX):地址端的作用取决于最高两位(MSB，即A8和A9)的状态。当最高两位中有一个为0时，所有输入均作为当前录音或放音的起始地址。地址端只作输入，不输出操作过程中的内部地址信息。地址在CE的下降沿锁存。当最高两位全为1时，A0~A6可用于模式选择。 ISD2560集成度很高，内部集成了高精度的时钟电路，故而无需外部配置晶振，其应用电路也得到大大简化。ISD2560可进行录、放两种操作。录入音信号经过换能器MIC转变为电信号，该信号经过隔直电容去除直流分量后送入前置放大器，由于器件具有高输入阻抗，故藕合电容容量很小，可为0.17pf，微弱的电信号经过前置放大后由ANAOUT(21)脚输出，经过隔直电容后送入ANAIN (20)脚，这种配置方式可以方便用户自行设计性能更加优良的前置放大器代替芯片内部已有的功能部件，另外ANAIN可作为线输入口，直接输入电声信号，既而信号进入自动增益(AGC)放大器，信号电平得到调理，使其符合存储电路的动态范围，AGC响应时间由连接在AGC脚的外接电阻、电容值确定。为使得采样信号不产生失真，采样系统必须满足奈奎斯特采样定律。 3.4.3 ISD2560的语音播放电路 ISD2560控制电平与TTI，电平兼容，接口简单，使用方便。存储单元在写入语音信号的同时，自动清除了该存储单元原有的语音信号，从而实现了ISD系列器件的自动抹音。A0–A9为地址线，共有1024种组合状态。最前面的600个状态作内部存储器的寻址用，最后256个状态作为操作模式。本系统采用对地址直接进行 13 河北经贸大学毕业论文 操作的方式。微处理器接口端:P/R录放音控制端，此端为高电平时为放音状态，低电平时为录音状态;-CE 端用于录放音时的启停控制，通常与P/R端配合使用;-EOM端为每段信息结束信号输出端，为负向信号，时间为12.5ms，上升沿标志信息结束。MICIN是话筒前置放大器输入端，MICR EF为话筒补偿端，AGC自动增益控制端，ANA IN与ANA OUT是模拟信号的输入端和输出端，它们之间连接藕合电容，最小录、放系统如图3.6: RTARTU1 139A0P1.0 (T2)P0.0SW-PB238A1P1.1 (T2EX)P0.1337A2P1.2P0.2436A3P1.3P0.3/EOM535A4P1.4P0.4R7P/R634A5P1.5P0.510kPD7AT89S51 89C5233A6P1.6P0.6CE832A7P1.7P0.7 1221A8P3.2 (INT0)P2.01322A9P3.3 (INT1)P2.1C123P2.21424P3.4 (T0)P2.3+5V1525P3.5 (T1)P2.422pf26P2.5Y13127EA/VPPP2.628P2.712MC218+5VXTAL01920XTAL1VSS+5V40VCC22pf9RESETC3C41010uf(RXD) P3.0 +0.1uf1611P3.6 (WR)(TXD) P3.1 S11730P3.7 (RD)ALE (PROG)29PSENRST10kR189C52AT89S51 图3.6 语音录放电路的单片机部分电路原理图 此模块硬件电路的设计是由单片机芯片AT89C51和语音芯片ISD2560及其他们的接口电路构成。电路实现的功能如下: (1) 按下开始键，启动录音;松开开始键，结束录音。注意录音的时间不能超过预先设定的每段语音的时间。 (2) 结束录音后，顺序播放所录音3次。 图中U1为单片机的芯片AT89S51，工作于11.0592MHz的地址、模式输入，通过P2.0和P2.1，单片机可以配置ISD2560的操作模式。单片机的P1.5脚控制语音芯 14 河北经贸大学毕业论文 片ISD2560的录放模式的选择，低电平置ISD2560为录音状态，高电平为放音状态。单片机的P1.6脚和ISD2560的节电控制相连，单片机通过此脚可以控制芯片的开关。P1.7脚可以控制语音芯片的片选低电平时就是选中芯片。单片机的INT0脚、P1.4和ISD2560的EOM标志输出相连，EOM标志在录音时由芯片自动的插入到录音信息的结尾处，放音遇到EOM时，会产生低电平脉冲。触发单片机中断，单片机必须在检测到输出的上升沿才能播放新的录音，否则播放的语音就不连续的，出现“啪啪”的声音。 ISD2560的最高地址位A8(脚9)，A9(脚1)置为高电平时，芯片即进入操作模式状态。操作模式根据引脚Al-A8的高低电平不同组合总共分为6种不同的模式，实现不同的功能。操作模式中的信息检索模式MO和按键模式M6的说明如表3.1所示: 表3.1 ISD2560的操作模式 操作模式 功能 典型应用 可组合模式 M0 信息的快速检索 快进、找到所需的语音段 M4、M5、M6 M1 删除语音结束标志 使分段语音变成一段 M3、M4、M5、M6 M3 循环放音 循环重放0地址的语音段 M1、M5、M6 M4 连续寻址 禁止地址计数器复位，连续放音 M0、M1、M5 M5 CE电平有效 允许语音暂停 M0、M1、M3、M4 M6 按键操作 简化外围电路用键可控制录放 M0、M1、M3 15 河北经贸大学毕业论文 语音录放电路芯片ISD2560原理图如图3.7: c5 0.1uf C6A0A0/M011VCCD28 A1P/R22uf2A1/M1P/R27 A23A2/M2XCLK26 EOMA34A3/M3/EOM25 PDA45A4/M424PDr3AA5CE6A5/M5/CE23470kA6167A6/M6ISD5260/OVF221C7 A78A7ANAOUT210.1ufc8R2AA81164.7ufANA IN9A8205.1KA9AGC10A919C91111AUX INMIC REF18C10120.1uf12VSSDMIC17 Text0.1uf1313VSSAVCCA16SP14TextSP+1415SP-C11R4Ar6AR5A0.1ufSPEAKER10K1K10KMPC12161616111 220uf 图3.7 语音录放电路语音芯片ISD2560原理图 由于ISD2560是数模的混合芯片，因此对数字信号和模拟信号的处理是PCB设计需要着重考虑的问题。在芯片内部使用不同的模拟地和数字地，模拟电源和数字电源，他们分别通过VSSA，VSSD，VCCA和VCCD引出，VSSA，VSSD两引脚最好通过低电阻抗通路连接到平面;VCCA和VCCD最好也分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，电源脚附近的去耦电容应尽量靠近芯片。 16 河北经贸大学毕业论文 4 软件设计 4.1 AT89C51单片机定时器/控制器控制 定时器共有两个控制字，由软件写入TMOD和TCON两个8位寄存器来设置T0或T1的操作模式和控制功能。当AT89C51系统复位时，两个寄存器所有位都被清零。 4.1.1 工作模式寄存器TOMD TOMD用于控制T0和T1工作模式，其中低四位用于T0，高4位用于T1。其各位的定义格式如表4.1所示: 表4.1 工作模式寄存器TMOD的位定义 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATB C/T M1 MO GATE C/T M1 MO 定时器T1 定时器T0 以下介绍各位的功能。 M1和M1:操作模式控制位。两位可形成4种编码，对应于四种操作模式(即四种电路结构)，见表4.1。 C/T :定时器/计数器方式选择位。 C/T=0，设置为定时方式。定时器计数89C51片内脉冲，亦即对机器周期(振荡周期的12倍)计数。 C/T=1，设置为计数方式，计数器的输入是来自T0(P3.4)或T1(P3.5)端的外部脉冲。 GATE:门控位。 GATE=0时，只要用软件使TR0(或TR1)置1，就可以启动定时器，而不管INT0(或INT1)电平是高还是低。 GATE=1时，只有INT0(或INT1)引脚为高电平且由软件使TR0(或TR1)置1时，才能启动定时器工作。 17 河北经贸大学毕业论文 TOMD不能位寻址，只能用字节设置定时器的工作模式，低半字节设定T0，高半字节设定T1。 4.1.2 控制寄存器TCON 定时器控制寄存器TCON各位定义及格式如表4.2所示: 表4.2 控制寄存器TCON的位定义 8FH 8EH 8DH 8CH 8BH 8AH 89H 88H TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TCON各位的作用如下。 TF1(TCON.7):T1溢出标志位。当T1溢出时，由硬件自动使中断触发器TF1置1，并向CPU申请中断。当CPU响应中断进入中断服务程序后，TF1又被硬件自动清零。TF1也可用软件清0。 TF0(TCON.5):T0溢出标志位。其功能和操作情况同TF1。 TR1(TCON.6):T1运行控制位。可通过软件置1或清0来启动或关闭T1。在程序中用指令“SETB TR1”使TR1位置1，定时器T1便开始计数。 TR0(TCON.4):T0运行控制位。其功能及操作情况同TR1。 TE1，IT1，IT0(TCON.3~TCON.0):外部中断INT1和INT0请求及请求方式控制位。 89C51复位时，TCON的所有位被清0。 4.2 ISD2560录放音软件设计 录音时，按下录音键，单片机通过口线设置语音段的起始地址，再使PD端P /R端和CE端为低电平启动录音;结束时，松开按键,单片机又让CE端回到高电平，完成一段语音的录制。同样的方法可录取第二段、第三段„„特别值得注意的是录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间。放音时，根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始地址并通过口线送出，再将P /R端设为高电平。PD端设为低电平，并让CE端产生一负脉冲启动放音，这时单片机只需等待ISD2560的信息结束信号，即EOM的产生。信号为一负脉冲，在负脉冲的上升沿，该段语音才播放结束,，所以单片机必须要检测到EOM的上升沿才能播放第二段，否则播放的语音就不连续，而且会产生啪啪声，这一点在编制软件时一定要注意。 18 河北经贸大学毕业论文 4.2.1 ISD2560操作模式 由于ISD2560内置了若干操作模式，因而可用最少的外围器件实现最多的功能。具体的操作模式如表4.3所示: 表4.3 ISD2560语音芯片操作模式图 模式 功能 典型应用 组合使用模式 M0 信息检索 快进通过信息 M4,M5,M6 M1 删除EOM 在最后一条信息结束处放EOM M3,M4,M5,M6 M2 未用 保留 N/A M3 循环 从0地址连续放音 M1,M5,M6 M4 连续寻址 录音/放音连续的多段信息 M0,M1,M5 M5 CE电平有效 允许暂停 M0,M1,M3,M4 M6 按键模式 简化外围电路 M0,M1,M3 操作模式可有微控制也可由硬件实现。使用操作模式要注意两点: (1)所有的操作最初都是从0地址(即存储空间的起始端)开始。后续的操作根据选用的模式可从其它地址开始。但是，电路由录音或放音转录音(M6模式除外)，或都执行了掉电周期后，地址计数器将复位为0。 (2)当CE变低且最高两地址为同位高时，执行操作模式。这种操作模式将一直有效，知道CE再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址/模式引脚电平并执行相应的操作为止。 4.2.2 分段录放音 2500系列最多可分为600段，只要在分段录/放操作前(不少于300纳秒)，给地址A0-A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志(EOM);而放音芯 19 河北经贸大学毕业论文 片遇到EOM标志即自动停止放音。 2500系列地址空间是这样分配的:地址0-599作为分段用(见表4.4)，地址600-767来使用，地址768-1023为工作模式选择。 表 4.4 ISD2560 地址空间分配 十进制 二进制 信息时间(秒) A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 2560 2575 2590 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 5.0 6.25 7.50 100 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 10.0 12.50 15.00 250 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 25.0 31.25 37.50 300 00 1 0 0 1 0 1 1 0 0 30.0 37.50 45.00 400 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 40.0 50.00 60.00 500 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 50.0 62.50 75.00 599 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 59.9 74.84 89.85 本设计主要通过单片机对ISD2560的控制实现指定地址入口的录音和循环播放。程序要实现下面的过程: “开始”键按下后，即系统上电后，系统初始化，然后判断开始键是否按下，如果按下则单片机控制PD，P/R引脚低电平，并指向录音地址，启动录音过程。调用录音函数，录音函数为: /*录音函数*/ Void record(void) { CE = 0; //片选有效 PD = 0; //非节电模式 PR = 0 ; //录音 } 当CE=0 时芯片使能输入引脚，使能所有的的录音操作。 当PD=0 时使芯片开始工作，而进入非节电模式。 当PR=0 时开始录音，录音时，由地址线提供起始地址，直到录音持续到CE或PD变高，或自动溢出。 20 河北经贸大学毕业论文 在预先设定的时间内，(小于60s)结束录音，松开“开始”键单片机控制P/R引脚回到高电平，即完成一段语音的录制。之后打开外部中断0，指定放音地址，启动放音程序，其放音函数为: /*放音函数*/ Void playback(void) { CE = 0; // 片选有效 PD = 0; // 非节电模式 PR = 1;} // 放音 当CE=0 时芯片使能输入引脚，使能所有的的放音操作。 当PD=0 时使芯片开始工作，而进入非节电模式。 当 PR=1时为高电平，这时选择放音，这时由地址输入提供起始地址，放音持续到EOM位标志。程序流程如图4.1: 21 河北经贸大学毕业论文 开始 初始化 “开始”键按下, Y 调用录音函数 N “开始”键松开, Y 延时 打开外部中断 打开播放函数 22 河北经贸大学毕业论文 外部中断 服务子程序 关闭外部中断 如果count<2 Count++ 延时 打开外部中断 调用播放函数 图 4.1程序流程图 23 河北经贸大学毕业论文 4.3 keil C51介绍及其程序说明 4.3.1 keilC51介绍 本次设计的语音播报系统是以AT89C51为核心建立的系统，在软件编辑方面，需要对语音录入和语音播放两部分分别构成的子函数进行编辑。在编辑中需要用Keil C51软件。 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 Keil 51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。 Keil C51工具包的整体结构中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。 KeilC编程时用到如下的定义: unsigned char bdata..... sbit..... 前面的unsigned char是数据类型。sbit的用法有三种: 第一种方法:sbit 位变量名,地址值 第二种方法:sbit位变量名,SFR名称^变量位地址值 第三种方法:sbit位变量名,SFR地址值^变量位地址值 bdata不是数据类型，而是指存放的内存空间。sbit是定义位变量的指令;bdata 24 河北经贸大学毕业论文 指可位寻址的内存空间;data指一般内存空间;xdata外部内存空间。如在本设计中 /*定义语音芯片ISD2560的控制引脚*/ sbit start=p1.0; sbit EOM=p1.4; sbit PR=P1.5; sbit PD=P1.6; sbit CE=P1.7; 25 河北经贸大学毕业论文 5 结 论 我设计的课题是语音播报器，经过近一年的思考和准备，我已经完成了老师的任务。通过做本设计，我熟悉了protel软件，基本上学会其使用方法，更加深入的学习了AT89C51单片机的各项功能。对ISD2560有了更深层次的了解。对C语言编写程序有了进一步的把握。我对我所做的语音播报器有如下总结:89C51单片机虽然和DSP，ARM相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，容易获取。它的速度可以满足本次实验的要求，所以我采用AT89C51这款单片机的时候很方便。 ISD2560 语音芯片采样多电平直接模拟量存储专利技术。采用E2PROM存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不需另加A,D或D,A变换来存放或重放。使的外围电路简单。该器件有音质自然、使用方便、单片存放、反复录音、低功耗、抗断电等许多特点 能够非常自然地再现声音;同时, 具备微控制器所需接口, 便于与微机的连接。而且编程简单。 是语音播报器系统中语音芯片很好的选择。这两款芯片有兼容性能构成接口电路，而且接口电路简单。能够很好地实现所需的功能。本文设计的基于ISD256的语音器, 其语音音质好, 功能强, 实验运行效果较好，使用起来也很简单。ISD2560也有不足之处就是功能不是很强大，录音时间不是很长，已经逐渐被ISD1700系列代替。 26 河北经贸大学毕业论文 致 谢 四年的大学生活即将结束，我用了近一年的时间来做毕业设计，在周老师和同学的帮助下，现在终于完成了。 本次设计都是在周老师的悉心指导下完成的，在我的论文完成之际，首先，在此衷心地感谢学校给我们提供了方便的图书资源，同时也要感谢指导老师以及我们组的同学给我热情的帮助和鼓励。我特别要感谢的是周老师一直耐心的指导着我，认真帮我找出问题，并且引导我去解决问题，对我的设计提出了宝贵的意见，直到我最终完成论文。这一次的设计，相信在我以后的学习和生活中会终身受益。 我就将踏上社会的大舞台，大学阶段所学到的知识和经验以及为人处世之道将对我今后的工作和学习有着巨大的影响。我想在踏入社会、进入到工作岗位之后，我会怀念这大学四年以来的生活中的点点滴滴。怀念和老师同学们一起为了科研技术而奋斗的日子;怀念和同学、朋友们在一起体会酸甜苦辣的日子;也会怀念学校轻松愉快、相互进步的日子等等。在此，我要感谢大学四年以来给予我耐心指导和谆谆教导的老师们～感谢给予我帮助和鼓励的同学和朋友们～感谢我的家人，是他们的鼓励和支持，才有今天的我～ 最后，再次感谢大学四年来所有老师对我的培育之恩，感谢你们四年来对我的关心和鼓励，谢谢你们～ 27 河北经贸大学毕业论文 附录 主要程序代码及其说明(见注释语句)如下: uchar count; // 重复播放次数计数器 uchar startflag; // 开始键按下标志 uchar idleflag; // 系统是否处于空闲状态标志 /*延时t毫秒*/ Void delay(uint t) { Uint i; While (t--) { /*对于11.0592MHz时钟，约延时1ms*/ For (i=0;i<125;i++) { } } } /*外部中断0服务子程序*/ Void out into() interrupt 0 using 1 { EXO=0; //关外部中断0 PD=1; //进入节电状态 If(count<2) //再重播2次，共三次放音 { Count++; Delay(500); //延时500ms P2=P2&0XFC; //A8=A9=0 P0=P0&0X00; //起始地址为0 Playback(); //从地址0处播放 28 河北经贸大学毕业论文 EX0=1 //开外部中断0 } else { Idleflag=1; //变为空闲状态，可用再次按开始键 } } /*主程序*/ Void main() { EA=1; //开CPU中断 Count= 0; Startflag=0; Idleflag=1; While(idleflag==1) { If (START) { //延时去抖动 Delay(10) If (START) STARTFLAG=1; //开始键按下标志 } If (startflag==1) { Do { P2 =P2&0XFC; //A8=A9=0 PO = PO&X00; //起始地址为0 Record(); // 录音开始，存放在地址0处 } 29 河北经贸大学毕业论文 While (start) //开始键松开 Startflag =0; PR = 1; //结束录音 PD = 1; //进入节电状态 Delay(500); //延时500ms 在播放录音 EXO = 1; //开外部中断 P2 = P2&0XFC; //A8=A9=0 P0 = P0&X00; //起始地址为0 Playback(); //从地址0处进行第一次播放 Idleflag= 0; //当前不空闲，按开始键无效 } } } 30 河北经贸大学毕业论文 参考文献 [1] 林绿洲，王力超，陆其涌.基于GPS与GPRS的公交智能监控系统.仪器仪表字 报(增刊)，2006，27 (6):125-126 [2] 蔺彬涛.SEM表面特征—维图象信息微机处理识别系统.电子显微学报. 1988， 12 (4):86-88 [3] 陆耀，叶秀臣.开发语音处理器的几个问题.河北大学学报(自然科学版) . 1995;02 (8):367-369 [4] 叶德明,王晓星. 计算机语音模糊模式识别.模糊系统与数学. 1992.8 [5] 罗亚非.凌阳16位单片机应用基础.北京:北京航空航天大学出版社，2003.1 [6] 薛钧义，张彦斌等.凌阳16位单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出 版社，2003.12 [7] 李晶皎.嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用.北京:北京航空航天出版 社，2003.6 [8] 张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与实验.上海:复旦大学出 版社，2000.8 [9] 江太辉，姚天任. 语音信号线性预测参数的韧性估计.华中理工大学学报. 1996，13 (6):234-235 [10] 蒋兆远,孟建军. 车载语音系统设计.内燃机车.1996.02 [11] 陈永彬.语音信号处理.上海:上海交通大学出版社，1999 [12] 朱民雄.计算机语音技术.北京:北京航空航天大学出版社，2002 [13] 李令奇，胡广成.电话机原理与维修.北京:人民邮电出版社,1992.41 [14] 罗亚非.凌阳16位单片机应用基础.北京:北京航空航天大学出版社， 2003.57 [15] 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